Luận án nghiên cứu đặc trưng hình học của nước nhảy đáy trong lòng dẫn lăng trụ mặt cắt ngang hình thang

Phân tích cho thấy, nghiên cứu về nước nhảy trong lòng dẫn mặt cắt ngang hình thang cân vẫn còn tương đối ít, công thức còn hạn chế và nhiều công thức hiện có vẫn chưa phù hợp trong tính

- 1 -

MỞ ĐẦU

1.Tính cấp thiết của luận án

Nước nhảy là một hiện tượng thuỷ lực của dòng chảy hở, hiện tượng này được

áp dụng rất nhiều trong thực tế, như tiêu năng dòng chảy sau công trình, xáo trộn khí vào nước, thiết kế bể nén bùn ở hệ thống xử lý nước thải, áp dụng trong tính toán thiết kế cống, cầu…

Nghiên cứu về nước nhảy là một vấn đề kinh điển, có lịch sử từ hàng trăm năm trước, người phát hiện hiện tượng nước nhảy đầu tiên là Leonardo da Vinci (1452-1519), sau đó Bidone (năm 1818-1819) đã mô tả kỹ hơn hiện tượng này Bélanger (năm 1828) đã xây dựng được công thức tính độ sâu liên hiệp nước nhảy trên kênh

có mặt cắt ngang hình chữ nhật và đánh dấu bước khởi đầu về phân tích hiện tượng nước nhảy Nghiên cứu nước nhảy trên thế giới rất đa dạng, từ nghiên cứu lý thuyết đến thực nghiệm và kết qủa cho ra rất nhiều các công thức lý thuyết, công thức bán thực nghiệm và công thức thực nghiệm với các đặc trưng tính toán khác nhau

Ở Việt Nam, cũng có rất nhiều đề tài nghiên cứu và ứng dụng về nước nhảy, như nghiên cứu của Hoàng Tư An (2005) về nước nhảy đáy, Nguyễn Văn Đăng (1998) về quá trình nước nhảy nối tiếp chảy đáy; Nguyễn Văn Cung về nước nhảy sóng; Lê Thị Việt Hà (luận án tiến sĩ, 2018) về nước nhảy trong kênh dốc mở rộng… các nghiên cứu đã khai thác các đặc trưng cơ bản của nước nhảy trong các điều kiện khác nhau, từ đó đã có những áp dụng thực tế mang lại hiệu quả và lợi ích thiết thực

Phân tích cho thấy, nghiên cứu về nước nhảy trong lòng dẫn mặt cắt ngang hình thang cân vẫn còn tương đối ít, công thức còn hạn chế và nhiều công thức hiện

có vẫn chưa phù hợp trong tính toán (do tính chất đa dạng về mái dốc kênh, độ dốc lòng dẫn và các đặc trưng xoáy rối phức tạp) Mặt khác, nước nhảy trên lòng dẫn hình thang cân chủ yếu được nghiên cứu theo phương pháp thực nghiệm, các yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng nước nhảy cũng chưa được xem xét đầy đủ bằng các phương trình lý thuyết, như các nghiên cứu thực nghiệm về nước nhảy của Samir Kateb (Luận

án tiến sĩ, 2014) đối với kênh đáy dốc có mặt cắt ngang hình thang (mô hình thực nghiệm có đáy b = 20cm và mái dốc kênh 76,2o), nghiên cứu nước nhảy nối tiếp kênh hình thang (trên kênh có chiều rộng đáy b = 20cm, mái dốc 73o) với kênh chữ nhật

- 2 -

của SIAD Rafik (luận án tiến sĩ, 2018), hay nghiên cứu phân bố trường vận tốc trong nước nhảy trên kênh hình thang (mặt cắt ngang có đáy rộng b = 20cm) của Nobarian B.F (2019)… đều dựa trên phân tích thực nghiệm về mối tương quan giữa các đặc trưng thủy lực của nước nhảy, mà chưa xây dựng được các tổ hợp bao gồm các yếu

tố nghiên cứu gắn liền với cơ sở lý thuyết

Trong thực tế, tiêu năng sau công trình đối với lòng dẫn có mặt cắt ngang hình thang cũng đã được triển khai ở một số công trình thực tế, như công trình tiêu năng sau đập tràn của Thuỷ điện Hồi Xuân (Thanh Hoá, 2005), đập tràn Nà Sản (Sơn La, 2018)…, nhưng các phương án tính toán, thiết kế đều dựa trên các công thức tính cho mặt cắt ngang chữ nhật, sau đó sử dụng thí nghiệm mô hình để điều chỉnh thiết kế kỹ thuật, điều này dẫn đến giữa tính toán ban đầu và thiết kế sau thí nghiệm có những sai lệch nhất định

Bên cạnh đó, các công thức áp dụng cho tính toán các đặc trưng thủy động của nước nhảy trong kênh có mặt cắt hình thang vẫn còn hạn chế và chưa đảm bảo sự phù hợp khi áp dụng thực tế, đặc biệt bất lợi khi thiết kế công trình mà không có thí nghiệm mô hình để điều chỉnh thiết kế kỹ thuật Điều này cho thấy việc nghiên cứu

lý thuyết và kết hợp với thực nghiệm về nước nhảy trên kênh hình thang cân là một bài toán thiết thực

Do vậy “Nghiên cứu đặc trưng hình học của nước nhảy đáy trong kênh lăng trụ mặt cắt ngang hình thang” mang nhiều ý nghĩa khoa học và là cơ sở cho áp dụng

các đặc trưng nước nhảy trong tính toán thiết kế các công trình thủy lợi, công trình

xử lý nước và thiết kế các công trình dân sinh khác

2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu được định hướng theo các tiêu chí sau:

+ Xác định các đặc trưng hình học của nước nhảy, như độ sâu dòng chảy trước

và sau khu xoáy, chiều dài dòng chảy khu xoáy của nước nhảy trong kênh hình thang

+ Đưa ra chỉ dẫn về tính toán các kích thước hình học của hiện tượng nước nhảy để thiết kế công trình tiêu năng có áp dụng nước nhảy hoàn chỉnh trong lòng dẫn mặt cắt ngang hình thang

- 3 -

Nhiệm vụ nghiên cứu:

+ Giải hệ phương trình vi phân cơ bản Navier-Stokes, áp dụng kết qủa nghiên cứu để phân tích nước nhảy trong kênh hình thang cân, từ đó xác định công thức lý thuyết tính độ sâu dòng chảy trước và sau khu xoáy của nước nhảy

+ Áp dụng phương trình năng lượng để xây dựng công thức bán thực nghiệm

về chiều dài dòng chảy khu xoáy của nước nhảy

+ Thí nghiệm trên mô hình vật lý để xác định cơ sở dữ liệu, từ đó kiểm nghiệm các công thức lý thuyết và xác định các hệ số thực nghiệm trong các công thức lý thuyết, công thức bán thực nghiệm và xây dựng các công thức thực nghiệm về tính các đặc trưng hình học khu xoáy của nước nhảy

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu hiện tượng nước nhảy trong kênh lăng trụ,

đáy bằng, không có mở rộng trên mặt bằng

Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu nước nhảy sau đập tràn mặt cắt thực dụng

trong kênh lăng trụ hình thang cân có hệ số mái dốc m = 1, đáy bằng, không có mở rộng trên mặt bằng trong điều kiện nước nhảy ổn định (số FrD1 = 4,0 ÷ 9,0)

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

4.1 Cách tiếp cận của luận án

Tiếp cận mục tiêu nghiên cứu theo phương pháp lý thuyết và thực nghiệm Trong đó, xây dựng các công thức theo hướng phân tích lý thuyết, với tất cả các nguyên nhân và đặc thù tác động lên quá trình nước nhảy Sau đó sử dụng số liệu thực nghiệm để điều chỉnh các thông số trong công thức hoặc xây dựng công thức thực nghiệm phù hợp dựa trên cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu

4.2 Các phương pháp nghiên cứu

Phương pháp kế thừa: Tổng hợp tài liệu, đánh giá tổng quan các nghiên cứu

liên quan ở trong nước và trên thế giới, kế thừa và sử dụng các dữ liệu có sẵn, đặc biệt là bộ dữ liệu của Wanoscheck R và Hager W (1989)

Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết:

Phân tích là nghiên cứu các tài liệu, lý luận khác nhau bằng cách phân tích chúng thành từng bộ phận để tìm hiểu sâu sắc về đối tượng

- 4 -

Tổng hợp là liên kết từng mặt, từng bộ phận thông tin đã được phân tích tạo

ra hệ thống lý thuyết đầy đủ và sâu sắc về đối tượng nghiên cứu Điều này thể hiện trong việc áp dụng hệ phương trình Navier-Stokes và phương trình cân bằng năng lượng của dòng chảy để phân tích các đặc trưng thủy động của nước nhảy

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Nghiên cứu mô hình thí nghiệm tại

Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia về động lực học sông biển - Viện Khoa học thủy lợi Việt Nam, sử dụng các dữ liệu thực nghiệm để kiểm chứng và hiệu chỉnh các công thức đã xây dựng

Phương pháp phân tích thống kê: Sử dụng phần mềm của MS Excel 2019 và

phần mềm IBM SPSS 26 để phân tích xử lý các thông tin số liệu thực nghiệm Sử dụng các tiêu chuẩn trong phân tích dữ liệu thống kê (như MAPE, MSE, RMSE,

R2…) để đánh giá kết quả tính toán với số liệu thực đo

Phương pháp chuyên gia: Để đảm bảo độ tin cậy của các phương pháp nghiên

cứu và công thức đề xuất về các đặc trưng của nước nhảy, tác giả tiếp thu ý kiến từ các cuộc hội thảo, các buổi góp ý của chuyên gia để hoàn thiện nội dung nghiên cứu

Phương pháp phân tích thứ nguyên: Sử dụng lý thuyết Pi () của Buckingham

để phân tích xác định các mối quan hệ của các đặc trưng hình học của nước nhảy và các yếu tố ảnh hưởng, để xác định được các dữ liệu cần thu thập

Phương pháp mô hình toán: Áp dụng mô hình toán dự báo các đặc trưng hình

học của nước nhảy, nghiên cứu lần đầu tiên đã áp dụng mô hình Học máy “Cây quyết định” và “Rừng ngẫu nhiên” để dự báo độ sâu sau khu xoáy và chiều dài khu xoáy của nước nhảy trong kênh hình thang cân, đáy bằng có mái dốc m = 1

5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

5.1 Ý nghĩa khoa học

- Luận án đã giải hệ phương trình Navier-stokes để xác định công thức tính độ sâu dòng chảy trước và sau khu xoáy (y1, yr) của nước nhảy trong kênh hình thang, đồng thời phân tích được ý nghĩa và giá trị tỷ lệ hệ số động lượng khu xoáy (k)

- Luận án đã xây dựng cơ sở khoa học về xác định chiều dài khu xoáy (Lr) của nước nhảy

- 5 -

- Luận án đã áp dụng các công cụ hiện đại của công nghệ “Học máy” vào nghiên cứu xác định các đặc trưng hình học của nước nhảy và đã đáp ứng được mục đích nghiên cứu về đặc trưng hình học của nước nhảy

5.2 Ý nghĩa thực tiễn

- Kết qủa nghiên cứu của luận án có độ chính xác và sự tin cậy cao, đồng thời góp phần làm rõ thêm về quy luật, đặc điểm và tính chất của nước nhảy ổn định trong kênh hình thang cân Việc xác định được các công thức lý thuyết, công thức bán thực nghiệm và công thức thực nghiệm cho các đặc trưng hình học của nước nhảy trong kênh hình thang cân đã cho phép mở rộng hơn về việc áp dụng nước nhảy Bên cạnh

đó mở ra được nhiều định hướng phát triển kế tiếp

- Luận án đã đề xuất quy trình tính các kích thước hình học của nước nhảy trong việc xác định thông số trong thiết kế công trình, phương pháp tính đảm bảo được các cơ sở khoa học và tính chính xác khi áp dụng

6 Những điểm mới của luận án

+ Giải hệ phương trình Navier-Stokes với điều kiện nước nhảy ổn định (Fr1 = 4,0 ÷ 9,0), từ đó xây dựng được công thức lý thuyết (3.36) và giá trị tỷ lệ hệ số động lượng (k) theo (3.27) về xác định độ sâu dòng chảy khu xoáy của nước nhảy trong kênh mặt cắt ngang hình thang cân, đáy bằng

+ Xác định công thức về quy luật biến đổi chiều dài dòng chảy (3.40) theo phương trình năng lượng

+ Nghiên cứu với nước nhảy ổn định (Fr1 = 4,0 ÷ 9,0) trong kênh hình thang cân đáy bằng có mái dốc m = 1, đã đề xuất được các kết quả sau:

- Công thức lý thuyết (3.36) phù hợp khi có M1 ≥ 0,2 và giá trị tỷ lệ về hệ số động lượng dòng chảy khu xoáy k = 0,92 là tốt nhất cho công thức (3.36) Xây dựng được Bảng 3.9, Hình 3.5 và công thức thực nghiệm (3.39) để xác định độ sâu dòng chảy sau khu xoáy (yr) của nước nhảy ổn định với mọi giá trị M1 = [0, 1]

- Thiết lập được công thức bán thực nghiệm (3.50), công thức thực nghiệm (3.53) có phạm vi áp dụng (3.54) về xác định chiều dài khu xoáy (Lr) của nước nhảy ổn định

- 6 -

7 Cấu trúc của luận án

Ngoài phần Mở đầu, Kết luận và kiến nghị, Tài liệu tham khảo, Phục lục thì

Luận án gồm có 03 chương:

Chương I - Tổng quan về nước nhảy đáy

Các khái niệm cơ bản về nước nhảy đáy trong kênh hở, các nghiên cứu trong

và ngoài nước về nước nhảy trên kênh lăng trụ (mặt cắt ngang hình chữ nhật và hình

thang), từ đó phân tích ảnh hưởng của các yếu tố thủy động đến đặc trưng hình học

của nước nhảy, làm cơ sở cho việc nghiên cứu và đề xuất các công thức mới

Chương II – Cơ sở khoa học nghiên cứu các đặc trưng nước nhảy trên

kênh mặt cắt hình thang

Trình bày các phương trình cơ bản để làm cơ sở cho nghiên cứu xác định các

đặc trưng hình học của nước nhảy, các lý thuyết về tương tự và mô hình hóa trong

nghiên cứu thực nghiệm, các thuật toán hồi quy và đánh giá kiểm nghiệm kết quả

phân tích dự báo Nghiên cứu lý thuyết của mô hình “Học Máy” và phân tích sự phù

hợp khi áp dụng vào nghiên cứu đặc trưng hình học của nước nhảy

Bên cạnh đó, còn trình bày về áp dụng lý thuyết Pi để phân tích các yếu tố ảnh

hưởng đến các đặc trưng hình học của nước nhảy, xây dựng các mô hình vật lý thí

nghiệm nước nhảy, từ đó xác định số liệu thí nghiệm cần thu thập và đánh mối quan

hệ giữa các yếu tố thủy động có ảnh hưởng lẫn nhau trong nghiên cứu nước nhảy

Chương III - Xây dựng công thức xác định các đặc trưng hình học

của nước nhảy trong kênh lăng trụ mặt cắt ngang hình thang

Kết hợp với phân tích lý thuyết ở Chương II, đã giải bài toán xác định độ sâu

dòng chảy sau khu xoáy, xây dựng các công thức bán thực và thực nghiệm về các đặc

trưng hình học của nước nhảy

Sử dụng dữ liệu thực nghiệm kiểm nghiệm công thức lý thuyết, xác định các

hệ số thực nghiệm trong công thức bán thực nghiệm và các công thức thực nghiệm,

đồng thời áp dụng công nghệ Học máy “Rừng ngẫu nhiên” trong nghiên cứu các đặc

trưng hình học của nước nhảy

Ngoài ra, ứng dụng các công thức đã xây dựng vào tính toán các đặc trưng của

nước nhảy trong việc xác định các thông số cơ bản cho một công trình thực tế

- 7 -

CHƯƠNG I - TỔNG QUAN VỀ NƯỚC NHẢY ĐÁY

1.1 Các khái niệm cơ bản

1.1.1 Dòng chảy ổn định không đều

Đó là dòng chảy mà các yếu tố thủy lực không phụ thuộc vào thời gian, nhưng biến đổi dọc theo chiều dòng chảy [16][82]

Trong thiết kế công trình, dòng

chảy ổn định không đều được áp dụng

cho phân tích và tính toán đối với

dòng chảy hở, như dòng chảy trong

kênh hở, dòng chảy qua đập tràn đập

tràn, dòng chảy qua cống …

1.1.2 Năng lượng đơn vị dòng chảy

Trong dòng chảy, tổng năng

lượng của một đơn vị trọng lượng

chất lỏng được xác định bằng tổng các cột nước của mặt cắt so với mặt chuẩn (Hình 1.1) [27] Năng lượng đơn vị dòng chảy (E) được xác định tại 1 mặt cắt thể hiện như sau[22][27]:

1.1.3 Năng lượng đơn vị của mặt cắt

Đó là năng lượng của một đơn vị

trọng lượng chất lỏng của dòng chảy tại

một mặt cắt nhất định tính đối với mặt

chuẩn nằm ngang đi qua điểm thấp nhất

của mặt cắt đó [27][82] Năng lượng đơn

vị mặt cắt (e) tại một vị trí được thể hiện

như sau (Hình 1.1):

2 2

©n íi

e = f(y)

e min

y y y

45°

T

Q = const C

D/2

c c

2

V

Z 1

2

- 8 -

1.1.4 Độ sâu phân giới

Với một lưu lượng đã cho và tại một mặt cắt xác định, độ sâu làm cho năng lượng đơn vị của mặt cắt có trị số nhỏ nhất được gọi là độ sâu phân giới (yc) [82]

Tại độ sâu phân giới yc có (Hình 1.2):

Công thức tổng quát xác định độ sâu phân giới [82]:

3 2 c c

AQ

1.2 Hiện tượng nước nhảy

1.2.1 Khái quát về nước nhảy

Khi dòng chảy thay đổi từ trạng thái chảy xiết (y < yc) sang trạng thái chảy êm (y > yc), hay mực nước nhanh chóng thay đổi từ mực nước thấp sang mực nước cao trong một khoảng cách ngắn, khi đó sẽ dẫn đến sự thay đổi đột ngột của đường mặt nước với sự chuyển động rối có mạch động lớn và năng lượng dòng chảy bị tiêu hao

- 9 -

mạnh, hiện tượng này gọi là

“Nước nhảy” Hiện tượng nước

nhảy được quan sát thấy ở sau

cánh cửa cống điều tiết nước,

chân đập tràn hoặc nơi độ dốc

kênh (i > ic) đột ngột chuyển sang

1.2.2 Cấu trúc nước nhảy đáy trong kênh hình thang

Nước nhảy cĩ thể được phân thành nhiều dạng, như nước nhảy phẳng (nước nhảy trên kênh chữ nhật) hoặc nước nhảy khơng gian (khi mặt cắt dịng chảy biến đổi hoặc độ dốc đáy khác khơng) Cịn nước nhảy trên kênh hình thang đáy bằng là loại nước nhảy “bán khơng gian”, vì cấu trúc nước nhảy ngồi biến đổi dọc theo chiều dịng chảy, cịn biến đổi theo phương ngang trên bề mặt mái dốc, tức là các phần tử chất lỏng chuyển động trên mái dốc trong khu vực nước nhảy theo 3 phương của hệ trục Oxyz (Hình 1.4), cịn theo chiều lịng dẫn chỉ phụ thuộc theo phương x [58]

Hình 1.4 Cấu tạo các thành phần dịng chảy của nước nhảy trên lịng dẫn cĩ mặt

ngang hình thang [58]

Hướng dòng chảy mặt Hướng dòng chảy đáy

4 6

+ Khu vực , các dòng tia ở đáy do tác dụng quán tính nên tạo thành hệ thống đường dòng tách đáy và tạo thành một khu “xoáy” ở đáy

+ Khu vực , phần dòng chảy ở trên bề mặt chuyển động ngược về phía thượng lưu và tạo thành khu “xoáy” cả ở dòng chảy chính và khu vực hình nêm ở mái dốc tạo thành khu vực nước nhảy

+ Khu vực , phần dòng chính của dòng chảy vẫn tiếp tục chuyển động về phía hạ lưu

+ Khu vực , phần đáy dòng chảy chuyển động dọc theo các mái dốc và khu vực dòng cuộn ở đáy tạo thành khu chuyển động từ dưới lên

+ Khu vực hạ lưu , dòng chảy không tham gia vào khu xoáy cuộn nhưng lại

có ảnh hưởng trực tiếp đến đuôi nước nhảy

Hình 1.5 Sơ đồ phân bố vận tốc dòng chảy trên mặt cắt dọc của nước nhảy [58]

Hình 1.6 Cấu trúc dòng chảy xoáy trong nước nhảy ở thành bên của kênh hình

thang với 3 loại mái dốc theo mô hình Flow 3D [29]

y 1 cm

Fr 1 = 6,85 A B

- 11 -

Như vậy, nước nhảy trên kênh hình thang cân, ngoài dòng xoáy cuộn trên bề mặt dòng chảy chính (tương tự nước nhảy phẳng), còn có các dòng xoáy cuộn trên bề mặt các mái dốc kênh, các dòng chảy đáy và mặt đan xen lẫn nhau, tạo nên quá trình xáo trộn phức tạp ở khu vực “xoáy cuộn” của nước nhảy Các nghiên cứu của Wanoscheck R và Hager W (1989)[58], Hager W (1992)[30], Bahador Fatehi Nobarian và cộng sự (2019)[29] đã biểu thị đầy đủ về đặc trưng nội bộ dòng chảy và

mô phỏng quá trình biến đổi trường vận tốc trong khu xoáy, nhưng các nghiên cứu

về xác định đặc trưng hình học nước nhảy vẫn còn nhiều vấn đề cần mở rộng với các phân tích lý thuyết và thực nghiệm

Đối với cấu trúc nước nhảy trên kênh có mặt cắt ngang chữ nhật, sẽ không xuất hiện dòng chảy xoáy trên bề mặt mái dốc, các đặc tính dòng xoáy cuộn và dòng chảy 2 pha (khí và lỏng) trên bề mặt dòng chính tương tự như trên kênh hình thang Như vậy, khả năng rối của nước nhảy trên kênh chữ nhật sẽ nhỏ hơn kênh hình thang, dẫn tới khả năng tiêu năng sẽ thấp hơn so với kênh hình thang

Các đặc trưng hình học cơ bản của nước nhảy (Hình 1.3) bao gồm:

+ Độ sâu phân giới (yc);

+ Độ sâu trước nước nhảy (y1): Độ sâu dòng chảy ở vị trí bắt đầu nước nhảy,

vị trí này đã được thống nhất trong nhiều nghiên cứu khác nhau [1];

+ Độ sâu dòng chảy sau khu xoáy (yr): Độ sâu tại vị trí kết thúc của khu xoáy,

độ sâu này được xác định dựa vào quan sát thực nghiệm và đặc trưng phân bố lưu tốc trên mặt cắt ngang (ví dụ như điểm A ở Hình 1.5)

+ Độ sâu liên hiệp của nước nhảy (y2): Độ sâu tại vị trí kết thúc khu xoáy, mà

ở đó đặc trưng về lưu tốc trở nên ổn định (ví dụ như điểm B ở Hình 1.5) Vị trí này rất khó xác định, thường dựa vào đặc trưng của đường mặt nước và sự ổn định của dòng chảy

+ Chiều dài khu xoáy của nước nhảy (Lr): Khoảng cách từ chân nước nhảy đến vị trí kết thúc khu xoáy ở độ sâu yr

+ Chiều dài nước nhảy (hay chiều dài tuyệt đối của nước nhảy, Lj): Khoảng cách từ chân nước nhảy đến vị trí độ sâu liên hiệp (y2) của nước nhảy

- 12 -

1.3 Phân loại nước nhảy

Có nhiều phương pháp phân loại nước nhảy khác nhau, mỗi phương pháp đều

có đặc điểm riêng về nghiên cứu và đánh giá nước nhảy Một số phương pháp phân loại nước nhảy được thể hiện như sau:

+ Phân loại theo hình dạng của nước nhảy;

+ Phân loại theo tỷ số sau và trước nước nhảy (y2 y )1 ;

+ Phân loại dựa vào số Froude trước nước nhảy

Trong nghiên cứu ở đây, sử dụng phương pháp phân loại nước nhảy thường dùng theo số Froude trước nước nhảy Các loại nước nhảy được mô tả như sau [82]:

+ Nước nhảy sóng: Mặt nước có dạng hình sóng

+ Nước nhảy yếu: Mặt nước phát triển các xoáy cuộn nhỏ, mặt nước hạ lưu

tương đối phẳng, vận tốc dòng chảy gần ổn định, tổn thất năng lượng nhỏ

+ Nước nhảy dao động: Tia nước đi từ đáy lên bề mặt và dao động trở đi trở

lại không có chu kỳ cố định, tạo sóng lớn và gây phá hoại lên bờ kênh

+ Nước nhảy ổn định: Ở hạ lưu, điểm đầu xoáy cuộn nơi có vận tốc cao, tia

nước có xu hướng thẳng hàng tại cùng một mặt cắt Nước nhảy có sự cân bằng năng lượng và hiệu suất tốt nhất

+ Nước nhảy mạnh: Vận tốc tia nước lớn, liên tục tạo ra xoáy trên bề mặt nước

nhảy, tạo ra sóng ở hạ lưu, có hiệu quả tiêu hao năng lượng lớn

Nước nhảy được tổng hợp và phân loại theo số Froude tại Bảng 1.1 như sau:

Bảng 1.1 Bảng tổng hợp phân loại nước nhảy

Bradley, Peterka (1957)

[19], Hager (1992) [30] Montes (1998) [74]

Chanson (2004) [23], V.T Chow (2009)[82]

Hiệu quả tiêu năng (%)

Fr1 Nước nhảy Fr1 Nước nhảy Fr1 Nước nhảy

1.0 ÷ 1.7 Không có

xoáy 1.2 ÷ 2.0 Sóng 1 ÷ 1.7 sóng < 5

1.7 ÷ 2.5 Chuẩn bị 2.0 ÷ 4.0 Dao

động 1.7 ÷ 2.5 yếu 5 ÷ 152.5 ÷ 4.5 Chuyển

tiếp 4.0 ÷ 9.0 ổn định 2.5 ÷ 4.5 dao động 15 ÷ 45

- 13 -

Bradley, Peterka (1957)

[19], Hager (1992) [30] Montes (1998) [74]

Chanson (2004) [23], V.T Chow (2009)[82]

Hiệu quả tiêu năng (%)

Fr1 Nước nhảy Fr1 Nước nhảy Fr1 Nước nhảy

> 9.0 Không ổn

định > 9.0

Tiêu năng lớn > 9.0 mạnh 70 ÷ 85Phạm vi nghiên cứu nước nhảy được sử dụng là trường hợp “nước nhảy ổn định” có số Froude trước nước nhảy được đề xuất từ 4,0 đến 9,0

1.4 Các nghiên cứu về nước nhảy trên thế giới và ở Việt Nam

1.4.1 Nghiên cứu nước nhảy trên thế giới

1.4.1.1 Nhận diện về nước nhảy

Nước nhảy lần đầu tiên được Leonardo da Vinci (1452-1519) đề xuất vào thế

kỷ 16, khi đó ông chỉ mô tả lại hiện tượng dòng chảy trong thực tế [74]

Năm 1818-1819, Giorgio Bidone mô tả bằng hiện tượng dòng chảy có sự nhảy vọt về độ sâu, mà chưa có các lý luận, nghiên cứu đánh giá khoa học cụ thể [23]

Năm 1828, Bélanger đã xây dựng công thức xác định độ sâu liên hiệp của nước nhảy, đồng thời đánh dấu sự ra đời cho nghiên cứu và ứng dụng của nước nhảy [82]

Nước nhảy được nhận diện bao gồm các đặc trưng hình học cơ bản, như độ sâu phân giới (yc), độ sâu liên hiệp (y1, y2) và chiều dài nước nhảy (Lj)

1.4.1.2 Độ sâu phân giới dòng chảy ổn định không đều trong kênh hình thang

Xuất phát từ công thức tổng quát (1.4), phân tích cho kênh có mặt cắt ngang chữ nhật, công thức lý thuyết về độ sâu phân giới như sau [45][82]:

2 3

Qy

- 14 -

Nghiên cứu về độ sâu phân giới của kênh hình thang được thể hiện như sau:

a Phương pháp thử dần và đồ thị hàm số

Từ phương trình cơ bản (1.4), vẽ đồ thị hàm số e = f(y), từ đó xác định giá trị

độ sâu phân giới yc tạinơi có giá e nhỏ nhất (emin)

Từ phương trình cơ bản (1.4), giải bằng cách tìm nghiệm gần đúng theo phương pháp thử dần hoặc sử dụng công cụ phần mềm tin học

b Phương pháp số

Sử dụng phương pháp Newton – Raphson, hoặc phương pháp mạng thần kinh (ANN) để tìm công thức tính độ sâu phân giới Các nghiên cứu như sau:

+ Công thức theo Zhengzhong Wang (1998) [86]

Áp dụng phương pháp Newton-Raphson, công thức tính độ sâu phân giới được

đề xuất như sau

1/5 c

0,720 c0

m.y

1,55K 1,68K 0,644

+ Công thức Tiejie Cheng, Jun Wang, Jueyi Sui (2018) [62]

Áp dụng phương pháp chia đôi (phương pháp dây cung của Newton), các tác giả xây dựng được công thức tính độ sâu phân giới cho kênh hình thang bất kỳ:

+ Công thức của Farzin Salmasi (2020) [28]

Ứng dụng công nghệ mạng thần kinh (ANN) phân tích chuỗi số liệu thu được công thức tính độ sâu phân giới với hệ số tương quan sai số R2 lần lượt của công thức (1.14) và (1.15) lần lượt là 0,998 và 0,996 [28]

Các công thức như sau:

0,242 0,473

tích lý thuyết, kết hợp cơ sở dữ liệu kết

quả độ sâu phân giới chính xác để xác

định công thức tính độ sâu phân giới

+ Công thức H Arvanaghi, G

Mahtabi, M Rashidi (2015) [34]

Tác giả kéo dài hai mái kênh

hình thang cân chuyển thánh kênh có

mặt cắt tam giác cân, sau đó tính tỷ lệ

giữa các mặt cắt để xây dựng công thức độ sâu phân giới, hệ số của công thức được xác định tương quan giữa giá trị phân tích theo công thức và giá trị thực:

Hình 1.7 Sơ đồ tính độ sâu phân giới khi kéo

dài thành dạng tam giác

 =Công thức của Agơrôtskin cho thấy nếu kênh hình thang cân mà m = 0 thì công thức trở về công thức tính kênh chữ nhật Tuy nhiên công thức này sau khi phân

tích với các thông số bất kỳ thì có sai số tính toán tương đối lớn



 =Công thức thực nghiệm (1.18) có kết quả tính tương đối chính xác với điều kiện 0,1  Q b 2,5  4, 0, nếu Q b 2,5  0,1 được tính theo kênh chữ nhật

- 17 -

Bảng 1.2 Trường dữ liệu phân tích độ sâu phân giới (y c ) theo các công thức

(Chi tiết tại phụ lục 6.1)

Độ sâu phân giới yc được xác định bằng phương pháp thử dần theo công thức

(1.4), gọi đây là “Giá trị đúng”, các công thức xác định độ sâu phân giới tốt sẽ cho kết quả càng gần với “Giá trị đúng” và sai số ổn định (không có các sai số đột ngột

tăng cao)

Theo phân tích đánh giá tại Hình 1.8 với 25 điểm kiểm nghiệm (các giá trị thể hiện tại Phụ lục 6.1) cho thấy, công thức Tiejie Cheng và cs (2018) có kết quả tốt, nhưng cần phải lặp lại thử dần ít nhất 4 lần Công thức của Wang (1998), Vatankhah and Easa (2011) và Vatankhah (2013) có sai số tối đa nhỏ nhất, lần lượt 0,06% (Q =

20 m3/s, b = 2m, m = 1), 0,1% và 0,05 (Q = 110 m3/s, b = 10m và m = 0,5) Công thức F Salmasi (2020) còn có giá trị âm và sai số lớn nhất lên tới 124% (Q = 1 m3/s,

b = 3m và m = 0,5), các kết quả tính toán không ổn định, sai số biến động lớn

Nghiên cứu cho một số công thức khác cho thấy có những sai số đột biến lớn,

như công thức của Agorotskill (1930) cho sai số lớn nhất đến 91,28% (Q = 20 m3/s,

b = 1m và m = 1) và nhiều giá trị tính toán có sai số đột biến lớn khác so với giá trị chính xác, công thức Straub (1982) có sai số lớn nhất là 33,87% (Q = 1 m3/s, b = 3m,

m = 0,5) và H Arvanaghi và cộng sự (2015) có xuất hiện kết quả tính toán với sai số lớn nhất tới 6% (Q = 5 m3/s, b = 3m, m = 0,5 và Q = 100 m3/s, b = 10m, m = 0,5)

Các công thức tính độ sâu phân giới ở trên rất đa dạng, mỗi công thức có đặc trưng riêng và điều kiện sử dụng Cần có các công thức đơn giản và đảm bảo sai số cho phép để thuận lợi hơn trong nghiên cứu nước nhảy

- 18 -

Hình 1.8 Biểu đồ các trường hợp tính toán độ sâu phân giới của kênh có mặt cắt ngang hình thang cân so với giá trị đúng

- 19 -

1.4.1.3 Nước nhảy trên lòng dẫn có mặt cắt ngang hình chữ nhật

a Độ sâu liên hiệp nước nhảy

Nghiên cứu đối với kênh nhẵn, mặt cắt ngang hình chữ nhật, độ sâu liên hiệp của nước nhảy được xác định như sau:

y1

trong đó:  là hệ số lực cắt đáy không thứ nguyên

Phương trình thể được ảnh hưởng điều kiện dòng rối đến độ sâu liên hiệp nước nhảy, tuy nhiên việc xác định  dựa vào thực nghiệm

+ Nghiên cứu của Hager (1992) [30]

Dựa trên công thức của Benglager (1828), Hager W.(1992) đã phân tích dữ liệu thực nghiệm cho nước nhảy trên kênh chữ nhật và rút ngọn công thức tính độ sâu liên hiệp nước nhảy như sau:

với các giá trị Fr1 > 3

- 20 -

+ Theo Ead và Rajaratnam (2002) [26]

Căn cứ vào phân tích phương trình động lượng và đề xuất:

2

1 1

y1,29Fr 0,116

Như vậy, độ sâu liên hiệp nước nhảy đối với kênh lăng trụ có mặt cắt ngang hình chữ nhật khi xét trường hợp không có ảnh hưởng lực cản được tính theo Bélanger (1828), nhưng khi xem xét cụ thể các ảnh hưởng tới quá trình nước nhảy thì còn nhiều vấn đề cần được xem xét, điều này cho thấy vấn đề ảnh hưởng dòng chảy rối đến độ sâu liên hiệp nước nhảy cần được nghiên cứu và đánh giá sâu hơn

b Chiều dài nước nhảy

Chiều dài nước nhảy là một thông số quan trọng trong thiết kế tiêu năng cho công trình, nó được xác định từ vị trí bắt đầu nước nhảy đến điểm kết thúc nước nhảy Trong thực tế có thể quan sát được rõ ràng khu xoáy của nước nhảy, điều này thể hiện qua đặc trưng đường mặt nước, sự xuất hiện bọt khí ngược dòng Còn điểm mà dòng chảy ổn định sau nước nhảy, khó xác định, cần đo đạc dữ liệu thực nghiệm rất chi tiết

và còn phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm quan sát thực nghiệm

Các nhà khoa học nghiên cứu về vấn này có thể kể đến: Riegel Beebe (1917), Ludin (1927), Woycicki (1931), Knapp (1932), Safranez (1933-39), Aravin (1935), Kinney (1935), Bakhmeteff và Matzke (1936), Douma (1934), Posey (1941), Moore

+ Chiều dài nước nhảy tuyệt đối (Lj), các nghiên cứu tại Bảng 1.3

+ Chiều dài khu xoáy của nước nhảy (Lr), các nghiên cứu tại Bảng 1.4

Bảng 1.3 Công thức kinh nghiệm về tính chiều dài nước nhảy kênh chữ nhật

1 Ludin (1927) [16] Lj =y 4,5 V V1( − 1 c)

Với vc: vận tốc tại mặt cắt co hẹp

2 N.N Pavlovsky [1] [14] Lj = 2,5(1,9y2 – y1) với (Fr1 > 3)

3 Safrenech [14] Lj = 4,5y2 với (Fr1 > 3)

27 Sanjeev K.G và cộng sự (2013)

[75]

2,1 1

FrLj

FrLj

30 Martín Mundo-Molina, José

Luis Díaz Pérez (2019) [48]

Lj = 4,5456(y2 – y1)1,0657 Với 1,2 < Fr1 < 5 và 0,11  y1/b  0,28

1 1

khi 0,1 Lr

12 160 tanh Fr / 20 y

khi 0,1 0,7 Lr

12 100 tanh Fr / 12,5 y

y =

6 Pietrkowski

Lr5,9Fr

y =

7 Schroder (1963)

1 1

4

Lr

6, 2Fr 10, 4y

- 24 -

Mối quan hệ của Lj và Lr được N Afzal (2002) [50] đưa ra đánh giá sơ bộ và chỉ ra mối quan hệ như sau [50]:

trong đó: a là hệ số nghiên cứu thực nghiệm

Theo nghiên cứu của Sarma và Newnham (1973) [50], cho thấy quan hệ giữa Lj/Lr  1,3 Còn các nghiên cứu khác cũng chưa đi sâu vào phân tích vấn đề này

Xem xét các công thức về chiều dài nước nhảy (Lj) và chiều dài khu xoáy (Lr),

đã cho thấy các kết quả không đồng nhất, điều này là do mỗi công thức đều xây dựng dựa trên kết quả thực nghiệm và điều kiện thí nghiệm khác nhau Song mỗi công thức lại có ý nghĩa riêng về xác định các yếu tố ảnh hưởng đến chiều dài nước nhảy

1.4.1.4 Nước nhảy trên lòng dẫn có mặt cắt ngang hình thang

a Độ sâu liên hiệp của nước nhảy

+ Nghiên cứu của A.N Rakhmanov (1930)

Với kênh bất kỳ, A.N Rakhmanov (1930) đã đề xuất công thức xác định độ

sâu liên hiệp nước nhảy phụ thuộc vào độ sâu phân giới, thể hiện như sau:

2 c 2

1,2yy

Nghiên cứu thực nghiệm A.N Rakhmanov (1930) cho kênh bất kỳ, phụ thuộc vào độ sâu phân giới (yc), thực tế là phụ thuộc vào số Froude Tuy nhiên nghiên cứu chưa chỉ ra các yếu tố phụ thuộc khác, như ảnh hưởng của hệ số M1 và mái dốc m

+ Nghiên cứu của Wanoschek R và Hager W.(1989) [58]

Wanoschek R và Hager W.(1989) đã sử dụng phương trình bảo toàn động cho mặt cắt trước và sau nước nhảy, từ đó xây phương trình đại số xác định độ sâu liên hiệp cho kênh hình thang, đáy bằng như sau:

- 25 -

Từ công thức (1.30), các tác giả đã xây dựng được biểu đồ Hình 1.9 với các giá trị M = 0; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4 và , đồng thời kiểm định bằng thực nghiệm với kênh dẫn hình thang có hệ số mái dốc m = 1

Hình 1.9 Biểu đồ về tỷ lệ độ sâu liên hiệp nước nhảy và số Froude theo hệ số M

Từ biểu đồ Hình 1.9, quan hệ giữa đường cong lý thuyết và thực nghiệm vẫn còn chưa hội tụ hoàn toàn, đặc biệt là các trường hợp M1 < 0,2, nên cần nghiên cứu sâu để xác định chính xác sự biến đổi của độ sâu liên hiệp nước nhảy theo số Froude

+ Nghiên cứu của Sadiq S.M (2012) [67]

Áp dụng định luật cân bằng động lượng cho mặt cắt trước và sau của nước nhảy, Sadiq S.M (2012) [67] đã xây dựng phương trình tính độ sâu liên hiệp nước nhảy cho kênh nhẵn và đáy bằng (bỏ qua ma sát), nghiên cứu đã giải tìm độ sâu liên hiệp của nước nhảy bằng các sơ đồ hoặc bảng biểu

Công thức tổng quát của Sadiq S.M (2012) có dạng như sau:

aY5 + bY4 + cY3+dY2+ eY + f = 0 (1.31) Trong đó a, b, c, d, e, f là các thông số phụ thuộc vào FrD, y2, y1 và m

Nghiên cứu của Sadiq S.M (2012) [67] mới chỉ dừng lại ở lý thuyết, đồng thời

là phương pháp tính toán có ý nghĩa trong phân tích lý thuyết Nhưng nghiên cứu chưa khảo sát cụ thể và đánh giá cho lòng dẫn rộng và độ sâu nhỏ (trường hợp trong thực tế hay gặp có M1 nhỏ)

+ Nghiên cứu của Samir Kateb (2014) [70]

Samir Kateb (2014) [70] nghiên cứu thực nghiệm (luận án tiến sĩ), về mối quan

hệ giữa tỷ lệ độ sâu liên hiệp nước nhảy (y2/y1) với số FrD1 cho kênh hình thang cân

9

0,1 0,2

M  0,2

3 3

+ Nghiên cứu của Samir Kateb và cộng sự (2015) [68]

Nghiên cứu của Samir Kateb và cộng sự (2015) [68] là phân tích thực nghiệm

về độ sâu liên hiệp nước nhảy trên kênh hình thang cân, có mái dốc với góc nghiêng

là 73o (m = 0,31), độ dốc đáy thay đổi Nghiên cứu đã xác định được mối quan hệ của

tỷ lệ độ sâu liên hiệp nước nhảy với số Froude và độ dốc đáy kênh ()

+ Nghiên cứu của Sonia Cherhabil và Mahmoud Debabeche (2016) [76]

Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện trên một kênh hình thang cân có chiều dài 6 m, chiều rộng đáy 20 cm và góc nghiêng mái dốc 72,68 °(m = 0,31 ) Độ sâu dòng chảy trước nước nhảy mở tương ứng với: y1 = 20, 30, 40, 50 và 60 (mm) Độ dốc đáy kênh có giá trị i (%) = 0,005; 0,01; 0,015; 0,02; 0,00; -0,005; -0,01 Sử dụng

22 tấm ngưỡng tràn thành mỏng để thực hiện dâng cao mực nước hạ lưu và khống chế quá trình nước nhảy Đã xác định được các công thức thực nghiệm cho từng trường hợp nghiên cứu theo y1, nhưng chưa có sự phân tích tổng quát chung Các trường hợp nghiên cứu có lưu lượng nhỏ, các công thức phân tích theo từng giá trị y1, điều này dẫn đến là sẽ có vô số công thức khác nhau, bất lợi trong ứng dụng

- 27 -

+ Nghiên cứu của SIAD, Rafik (2018) [71]

SIAD, Rafik (2018) [71] thực hiện đề tài tiến sĩ chuyên ngành thủy lực về nước nhảy Nghiên cứu nước nhảy trong đoạn nối tiếp từ kênh hình thang (mái dốc kênh

m = 0,31, chiều rộng b = 0,2m, dài Lj ref = 4m) sang kênh chữ nhật (chiều rộng b = 0,6m), đã cho thấy độ sâu liên hiệp nước nhảy sẽ phụ thuộc vào vị trí chân nước nhảy

xuất hiện ở trên kênh hình thang thang (Xi > 0) hoặc trên kênh chữ nhật (Xi = 0)

Hình 1.10 Mặt bằng và mặt cắt của cấu trúc nước nhảy trên đoạn kênh nối tiếp lịng

dẫn hình thang cân sang lịng dẫn hình chữ nhật của SIAD (2018)[71]

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm rút ra được các cơng thức sau:

=

X1: Khoảng cách từ cuối kênh hình thang đến chân nước nhảy

Lj ref: Chiều dài kênh hình thang cân, cĩ gĩc mái dốc 73o (m = 0,31) Kết quả nghiên cứu bị ảnh hưởng bởi mơ hình thực nghiệm với chiều dài kênh hình thang Khi kênh quá dài hoặc quá ngắn thì sẽ cho những ảnh hưởng khác nhau, vấn đề đặt ra là quy luật thay đổi chiều dài kênh hình thang sẽ ảnh hưởng thế nào đến đặc trưng thủy động của nước nhảy

+ Nghiên cứu của Shahin S.A và cộng sự (2018) [72]

Shahin S.A và cộng sự (2018) [72] đã nghiên cứu đối với kênh mặt cắt ngang hình thang cân cĩ hệ số mái dốc 1,0 và 1,5 và độ rộng đáy của mơ hình 0,2m, đã chỉ

B C

C C

B¬m

1

y

Ngưỡng tràn

+ Nghiên cứu của Bahador F.N và cộng sự (2019) [18]

Bahador F.N (2019) [18] nghiên cứu đối với nước nhảy trên kênh có mặt cắt ngang hình thang với mái dốc lần lượt 0,26, 0,58 và 1,0 trên mô hình có độ rộng đáy 0,2m với lưu lượng thí nghiệm từ 30 l/s đến 90 l/s, số FrD1 = 1,2 ÷ 8,67 Đã chỉ ra mối hệ giữa số FrD1 và tỷ lệ độ sâu liên hiệp nước nhảy (y2/y1) có quan hệ chặt chẽ, tuy nhiên, nghiên cứu mới phân tích về vận tốc tức thời trước nước nhảy, mà không chỉ rõ quan hệ về độ sâu liên hiệp của nước nhảy, cho nên các đánh giá và phân tích vẫn chưa chỉ rõ ảnh hưởng tới đặc trưng hình học của nước nhảy

Như vậy, nghiên cứu nước nhảy trên kênh có mặt cắt ngang hình thang cân theo từng loại nước nhảy ở Bảng 1.1 là rất quan trọng, đồng thời nhấn mạnh đối với trạng thái nước ổn định là rất cần thiết

Các nghiên cứu chỉ ra rằng, độ sâu liên hiệp nước nhảy trên kênh hình thang cân chủ yếu được xác định dưới dạng công thức thực nghiệm, phụ thuộc vào số Froude trước nước nhảy, nhưng với các kênh có mái dốc khác nhau thì công thức tính

có sự thay đổi đáng kể về các hệ số thực nghiệm Đối với nghiên cứu lý thuyết vẫn chưa được thể hiện rõ ràng Điều này cần phải có bài toán và công thức cụ thể để xác

- 29 -

định độ sâu liên hiệp của nước nhảy, trong đó các vấn đề ảnh hưởng sức cản dòng chảy xoáy cũng phải nghiên cứu bổ sung theo lý thuyết và thực nghiệm

b Chiều dài nước nhảy

Chiều dài nước nhảy trên kênh hình thang cân được nghiên cứu chủ yếu dựa vào thực nghiệm, các nghiên cứu cho thấy như sau:

+ Nghiên cứu của Posey, C J và Hsing, P S (1938) [55]

Nghiên cứu thực nghiệm Posey, C J và Hsing, P S (1938) [55] cho thấy có

sự ảnh hưởng của mái dốc kênh hình thang, nên nghien cứu nước nhảy có xem xét tới cả điều kiện mở rộng trên mái dốc, kết quả nghiên cứu cho thấy:

Công thức (1.39) được sử dụng phổ biến trong tính toán chiều dài nước nhảy

để thiết bể tiêu năng có mặt cắt ngang hình chữ nhật

Nghiên cứu Posey, C J và Hsing, P S (1938) mới chỉ xét đến các yếu tố hình

học, còn đặc trưng động học vẫn còn được xét đến, dẫn đến chưa đánh giá hết các yếu tố ảnh hưởng đến chiều dài nước nhảy

+ Nghiên cứu của Silvester, R (1964) [63]

Silvester, R (1964) [65] sử dụng dữ liệu thực nghiệm của của Press (1961) [50][63], từ đó phân tích các mối quan hệ giữa chiều dài nước nhảy với độ sâu trước nước nhảy, cho thấy các quan hệ này hội tụ với số Froude, từ đó rút ra:

( )1,01 j

D1 1

+ Nghiên cứu của Hager W.H (1992) [30]

Nghiên cứu của các tác giả dựa trên dữ liệu của Press (1961), đã phân tích rõ cấu trúc nước nhảy trong lòng dẫn hình thang cân, đồng thời tiến hành nghiên cứu

Hager W.H (1992) đã xem xét tới độ cao nước nhảy, nhưng đặc trưng thủy

động (số Froude) chưa đề cập, trong khi đó đây là yếu tố quan trong phân tích các đặc trưng hình học của nước nhảy

+ Nghiên cứu của Rajaratnam và Subramanya (1968) [57]

Rajaratnam và Subramanya (1968) từ nghiên cứu thực nghiệm, rút ra:

j

D1 1

+ Nghiên cứu của Ohtsu (1976) [59]

Phân tích các mối quan hệ dựa trên các nghiên cứu thực nghiệm về nước nhảy trên kênh hình thang cân, Ohtsu (1976) đã xây dựng công thức tính như sau:

j 10

+ Nghiên cứu Robert W và Hager W.H (1989) [58]

Nghiên cứu đã phân tích quan hệ giữa số Froude và độ sâu liên hiệp nước nhảy, nhưng chưa chỉ rõ các mối quan hệ này trong các công thức tính toán Với chiều

- 31 -

dài nước nhảy, nghiên cứu chỉ ra mối qua hệ giữa chiều dài nước nhảy và số Fr1, nghiên cứu chỉ khái quát về đặc điểm của nước nhảy, đánh giá biến đổi lưu tốc trên mặt cắt ngang, dọc theo dòng chảy, đồng thời phân tích chiều dài nước nhảy và mối tương quan của nó theo các công thức của Silvester (1964) và Ohstu (1976) Tác giả chưa xây dựng cụ thể về chiều dài nước nhảy, nhưng lại cung cấp bộ dữ liệu cơ bản cho các nhà nghiên cứu

+ Nghiên cứu của N Afzal (2002) [50]

Công thức tính chiều dài nước nhảy dựa trên thực nghiệm và tỷ số giữa độ sâu liên hiệp để tính toán, tuy nhiên nghiên cứu này chưa đồng bộ, không xét đến tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình dòng chảy

j 2

+ Nghiên cứu của Sadiq Salman Muhsun (2012) [67]

Sadiq Salman Muhsun (2012) [67] sử dụng nghiên cứu của N Afzal (2002) [50], dựa trên phân tích toán học triển khai tính toán bằng phương pháp lý thuyết về đặc trưng nước nhảy trên kênh hình thang cân, đã chỉ ra mối tương quan giữa số Froude với tỷ lệ độ sâu liên hiệp nước nhảy với năng lượng mặt cắt (y2/E1)

Nghiên cứu mới chỉ phân tích theo lý thuyết và thể hiện dưới dạng biểu đồ quan hệ, mà chưa có kiểm nghiệm về thực nghiệm cụ thể

+ Nghiên cứu của Samir Kateb (2014) [70]

Nghiên cứu trong luận án tiến sĩ của Samir Kateb (2014) [70] đã phân tích chiều dài nước nhảy trên kênh dốc đáy kênh b = 0,2m và hệ số mái dốc kênh cố định nghiêng một góc 76,2o (m = 0,246), cho thấy:

D1 1

Lj9,58Fr 24,59

- 32 -

trong đó: 3,46 Fr D1 13,17; −0,005 i 0,02; 0,031 M   0,093    

Nghiên cứu này khi xem quan hệ giữa (Lj/y1) với FrD1 có tương quan dạng tuyến tính và biến đổi từ độ dốc âm sang dương, tuy nhiên biên độ thay đổi độ dốc khá nhỏ, dẫn đến mô hình nghiên cứu thiên về kênh đáy bằng là chính, hệ số M1 và mái dốc của kênh quá nhỏ (m = 0,246) nên mức độ tương đồng của nghiên cứu thiên

về kênh chữ nhật, chưa làm sáng tỏ ý nghĩa thực tế của kênh hình thang cân

+ Nghiên cứu của SIAD, Rafik (2018) [71]

Khi nghiên cứu luận án tiến sĩ về nước nhảy, SIAD R (2018) phân tích nước nhảy trên mô hình lòng dẫn nối tiếp của kênh hình thang có độ rộng đáy 0,2m, mái dốc nghiêng góc 73o (m = 0,31), dài Lj ref = 4m với kênh chữ nhật có độ rộng đáy 0,6m, dài 7m, kết quả phân tích thực nghiệm đã cho thấy:

D1 1

Lj9,97Fr 0,307

Với điều kiện:  2,09  FrD1 10,51; 0,0  Xi  1,0 

Công thức (1.46) nếu Xi = 1 thì nước nhảy trong kênh hình thang, và Xi = 0 thì nước nhảy xảy ra hoàn toàn trong kênh chữ nhật Nghiên cứu này hạn chế ứng dụng thực tế rất nhiều, do điều kiện về chiều dài kênh hình thang cố định kích thước

và không có sự thay đổi theo từng đặc điểm riêng nước nhảy

+ Nghiên cứu của Bahador Fatehi Nobarian và cộng sự (2019) [18]

Bahador F.N và cộng sự (2019) nghiên cứu về mối quan hệ giữa các đặc trưng hình học (Lj và y2/y1) và năng lượng nước nhảy trên kênh hình thang cân (với 3 loại mái dốc khác nhau: m = 1; 0,58 và 0,26) với số Froude (Fr1) trước nước nhảy đã cho thấy các quan hệ phù hợp, tuy nhiên nghiên cứu mới chỉ kết luận về các quan hệ này

mà chưa chỉ rõ các tính toán cụ thể cho từng điều kiện khác nhau

Hầu hết các công thức thực nghiệm về chiều dài nước nhảy trên kênh hình thang cân chủ yếu được thực hiện trên mô hình dòng chảy dưới cửa cống (cửa van), bên cạnh đó chiều rộng đáy kênh thí nghiệm nhỏ (thường ở mức 0,2m) chưa biểu thị hết các vấn đề ảnh hưởng kích thước mô hình thí nghiệm và dòng chảy rối đến các đặc trưng nước nhảy

- 33 -

Các công thức đã xem xét ở trên cho thấy, chưa có sự phân tách rõ ràng trong nghiên cứu đối với các loại nước nhảy khác nhau và loại hình nước nhảy sau công trình (đập tràn hay qua cống) Do vậy quá trình vận dụng các công thức sẽ gặp nhiều khó khăn trong ứng dụng cho bài toán thực tế

Hiện tại ở Việt Nam, các công thức tính toán đặc trưng hình học nước nhảy cho lòng dẫn có mặt cắt ngang hình thang cân, đáy bằng vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ Trong thực tế vẫn sử dụng công thức tính cho mặt cắt hình chữ nhật để thay thế và bổ sung sửa chữa thiết kế bằng thực nghiệm mô hình

Nghiên cứu về nước nhảy trên kênh hình thang hiện tại tương đối ít, các nghiên cứu vẫn chưa được hoàn thiện, các đánh giá ứng dụng còn hạn chế, nhưng thực tế hiện tượng này lại xuất hiện khá nhiều và có ý nghĩa nhất định trong tính toán thiết

kế công trình

1.4.1.5 Ứng dụng công nghệ “Trí tuệ nhân tạo” trong nghiên cứu nước nhảy

Công nghệ Trí tuệ nhân tạo (AI) bao trùm nhiều nhánh nghiên cứu khác nhau, như Học Máy (Machince Learning), Học sâu (Deep Learning) Hiện nay, các nghiên cứu về ứng dụng Trí tuệ nhân tạo, Học máy đã triển khai sâu rộng nhiều lĩnh vực và ngành nghề, trong đó bao gồm cả các nghiên cứu về lĩnh vực thủy lực nói chung và nước nhảy nước riêng

Nghiên cứu của Steven L Brunton và cộng sự (2019) đã tổng quan về Học máy và ứng dụng cơ bản trong cơ học chất lỏng, đã phân tích và cho thấy ứng dụng học máy cho hiệu quả tốt trong nghiên cứu thủy lực, có thể hỗ trợ trong đánh giá các

mô hình vật lý, có thể chia sẻ dữ liệu tốt hơn [80] Melhem và cộng sự (1996) đã phân tích các giải pháp Học máy ứng dụng trong kỹ thuật với cơ sở dữ liệu phù hợp, Học máy cho kết quả nhanh chóng và độ chính xác cao [47]

Nghiên cứu của Mahdi Naseri và Faridah Othman (2012)[40] đã minh chứng khả năng ứng dụng tốt của thuật toán ANN trong xác định chiều dài nước nhảy, nghiên cứu của L Houichi và cộng sự (2013) [38] về chiều dài nước nhảy trên lòng dẫn có mặt cắt ngang chữ U (đáy là nửa hình tròn đường kính 0,245m và phần trên là hình chữ nhật nối tiếp nửa hình tròn có độ cao 0,7m), xác định chiều dài nước nhảy trên kênh chữ nhật sau cửa cống với thiết kế nhiều cửa tháo ở Ai cập của Mohamed

F Sauida (2016) [41], nghiên cứu của Akram Abbaspour (2013) [15] về so sánh hiệu

- 34 -

quả ứng dụng giữa Mạng thần kinh nhân tạo (ANN) và Thuật toán di truyền (GP) về xác định chiều dài nước nhảy, độ sâu liên hiệp và năng lượng của nước nhảy Masoud Karbasi and H Md Azamathulla (2016) [49] phân tích so sánh giữa Thuật toán mô phỏng Gen (GEP) và Kỹ thuật Trí tuệ nhân tạo (ANN and SVR) về các phân tích chiều dài nước nhảy trên kênh nhám với các yếu tố ảnh hưởng khác nhau Nghiên cứu chiều dài nước nhảy trên lòng dẫn nhám thông qua các mô hình Trí tuệ nhân tạo khác nhau (như GEP, ANNs) của P Khosravinai và cộng sự [56] Ứng dụng Phân loại Cây quyết định (J48) và Mạng thần kinh đa lớp (NN) để phân loại nước nhảy trên lòng dẫn nhám của Ghorban Mahtabi và cộng sự (2020)

Qua khảo sát trên cho thấy, các nghiên cứu áp dụng rất nhiều thuật toán ANN vào nghiên cứu xác định các đặc trưng của nước nhảy, trong khi đó mô hình ứng dụng Học máy (như Cây quyết định, Rừng ngẫu nhiên …) gần như chưa được nghiên cứu

1.4.2 Nghiên cứu nước nhảy ở Việt Nam

1.4.2.1 Các nghiên cứu về nước nhảy

+ Nghiên cứu của Hoàng Tư An (2005) [1]

Các công trình khoa học như tài liệu “Thủy lực công trình” của GS TS Hoàng

Tư An [1], đã nghiên cứu hiện tượng nước nhảy trong lòng dẫn lăng trụ đáy dốc và đáy bằng dựa trên cơ sở lý thuyết lớp biên của dòng tia chảy rối với dạng mặt cắt khác nhau, nghiên cứu đã giải quyết các bài toán nước nhảy trên lòng dẫn chữ nhật bằng phương pháp lý thuyết (tích phân hệ phương trình Reynolds, giải bài toán theo

hệ thức năng lượng…) Nghiên cứu đã định hướng về phân tích lý thuyết đối với các dạng kênh có mặt cắt khác nhau, nhưng chưa phân tích rõ về kênh hình thang cân

+ Nghiên cứu Nguyễn Văn Đăng (1989) [4]

Tác giả Nguyễn Văn Đăng (Luận Tiến sĩ, 1989) đã dựa theo lý thuyết lớp biên, nghiên cứu dòng chảy rối trong nước nhảy qua mô hình dòng chảy Reynolds – Bussinesque để đề nghị phương pháp “Hệ thức tích phân năng lượng” Từ đó để xác định các đặc trưng trung bình thời gian trong nước nhảy phẳng

Hệ thức tích phân năng lượng thể hiện:

- 35 -

Trong đó: Aij là các ma trận hệ số;  là chiều dày lớp biên sát thành rắn; h là

độ sâu dòng chảy; h1 là độ sâu trước nước nhảy;  là cao độ dòng tia; un là lưu tốc của dòng chảy ngược chiều; um là lưu tốc lớn nhất trên trục tia;  là hệ số sức cản ở lớp biên

=

1

hh

1

bh

 =

với i = 1 có phương trình năng lượng trong lớp biên sát thành rắn [0; ]

i = 2 có phương trình liên tục

i = 3 có phương trình động lượng trong lớp biến sát thành rắn [0; ]

i = 4 có phương trình động lượng trong dòng tia (b + , h)

i = 5 có phương trình năng lượng trong dòng tia (b + , h)

i = 6 có phương trình lõi thế Nghiên cũng đã phân tích rõ các đặc trưng hình học của nước nhảy về độ sâu dòng chảy sau khu xoáy (hr) và chiều dài khu xoáy (Lr) của nước nhảy với độ sâu liên hiệp (h2) và chiều dài (Lj) của nước nhảy Tuy nhiên, đối với nước nhảy không gian và bán không gian (nước nhảy trên kênh hình thang cân) thì nghiên cứu chưa được xem xét đến Trong nghiên cứu này, đã chỉ rõ các đặc trưng hình học cơ bản của nước nhảy, làm tiền đề cho các nghiên cứu bổ sung khác

+ Nghiên cứu Lưu Như Phú và Nguyễn Văn Toàn (2013): Dựa trên kết quả thí

nghiệm về nước nhảy trong điều kiển dòng chảy ổn định, độ mở cửa van nhỏ đề ra công thức tính chiều sâu liên hiệp sau nước nhảy [11] Phương pháp nghiên cứu thực hiện để đánh giá dòng chảy qua cống và nước nhảy trong lòng dẫn có mặt cắt ngang hình chữ nhật

+ Nghiên cứu của Hồ Việt Hùng (2016)[10] về đề xuất xác định kích thước và

cao trình bể tiêu năng có mặt cắt chữ nhật của nước nhảy hoàn chỉnh như sau:

- 36 -

+ Nghiên cứu của Hồ Việt Hùng và Lê Xuân Hiền (2017) [9] về chiều dài bể

tiêu năng có mố nhám lớn loại B và C theo mô hình thí nghiệm của USBR, nghiên cứu chỉ ra khả năng ảnh hưởng của mố nhám đến chiều dài nước nhảy trên lòng dẫn mặt cắt ngang chữ nhật

- Chiều dài bể tiêu năng loại 2 theo phân loại USBR

+ Nghiên cứu của Lê Thị Việt Hà (Luận án tiến sĩ - 2018) [6] về nước nhảy

trong lòng dẫn mở rộng có độ dốc lớn đã xây dựng được công thức lý thuyết và có kết quả thực nghiệm để đánh giá Nghiên cứu chỉ ra chiều sâu tương đối (x) và chiều dài tương đối cuối khu xoáy (lx) theo hệ phương trình sau:

Bên cạnh đó, mối quan hệ giữa Lr và Lj cũng được chỉ ra:

- 37 -

1.4.2.2 Một số công trình thực tế

a Công trình thủy điện Hồi Xuân

* Tên công trình

Tên công trình: Dự án thủy điện Hồi Xuân

Địa điểm xây dựng: trên sông Mã, thuộc địa phận H Quan Hoá, T Thanh Hoá

* Thông số công trình

Quy mô công trình bao gồm các hạng mục và các thông số cơ bản sau:

- Đập bê tông trọng lực có cao trình đỉnh đập 86.0m, chiều cao lớn nhất khoảng 43m, chiều dài đập theo đỉnh 243.2m

- Đập tràn xả lũ được xây dựng chính giữa lòng sông Mã, gồm 05 khoang, chiều rộng mỗi khoang là 15.0m Mặt đập tràn có dạng mặt cong không chân không Cơ-ri-ghơ ô-phi-xe-rốp, chân đập tràn nối liền với bể tiêu năng ở cao trình 46.0m

- Bể tiêu năng dài 30m, đáy ở cao trình46.0m, cuối bể làm mái vát 450 nối lên đoạn lát sân bảo vệ hạ lưu ở cao trình 49.0m

Hình 1.11 Phối cảnh công trình thủy điện

Hồi Xuân (nguồn VNECO)

20,5

138,04 243,2

Hệ thống thủy lợi Nà Sản, huyện Mai Sơn, tỉnh Sơn La [5]

Hồ Chiềng Dong của hệ thống thủy lợi Nà Sản có: Dung tích hữu ích yêu cầu

Vh = 3,51 triệu m3, dung tích toàn bộ hồ chứa tính toán V = 3,99 triệu m3, cao trình mực nước dâng bình thường tính toán 760,0m

- 39 -

* Đánh giá

Công trình tiêu năng của Hệ thống thủy lợi Nà Sản – Sơn La bố trí theo dạng mặt cắt ngang kết hợp hình thang và hình chữ nhật, tuy vậy nước nhảy chân công trình xuất hiện trong khu mặt cắt ngang hình thang

Thí nghiệm nghiên cứu mô hình cho thấy ở cấp lưu lượng thiết kế Q = 426,3

m3/s, chiều dài nước nhảy 39m

Hiệu quả tiêu năng của công trình khi sử dụng nước nhảy ngập có các mố nhám tiêu năng dạng răng lược đạt từ 72,74% ÷76,99% [5], cho thấy tính khả thi và tối ưu của công trình tiêu năng có mặt cắt ngang hình thang

1.5 Các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến đặc trưng hình học nước nhảy

1.5.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ sâu liên hiệp nước nhảy

Nghiên cứu Hiện tượng nước nhảy là việc xác định cấu tạo nước nhảy, bao gồm độ sâu dòng chảy phân giới, độ sâu liên hiệp và chiều dài nước nhảy Từ các nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết, cho thấy các yếu tố ảnh hưởng tới độ sâu của nước nhảy được thể hiện như sau:

- Số Froude trước nước nhảy, giá trị số Froude càng lớn, thì tỷ lệ độ sâu liên hiệp sau và trước nước nhảy, tiêu hao năng lượng trong nước nhảy càng lớn, điều này thể hiện trong phân loại nước nhảy (Bảng 1.1) [45][82], yếu tố này được thể hiện trong nhiều nghiên cứu phân tích độ sâu dòng chảy của nước nhảy, có thể thấy trong nghiên cứu của Roushangar, K và Homayounfar, F (2013) [36]

- Độ nhám của lòng dẫn, trong các nghiên cứu cơ bản, thường bỏ qua ma sát lòng dẫn, dẫn đến các tính toán lý thuyết thường cho các giá trị không phù hợp với thực tế, một số khảo sát đối với nước nhảy trên kênh chữ nhật đã phân tích và đưa vào ảnh hưởng của ma sát đáy, như Rajaratnam (1966) [16] đưa vào hệ số lực cắt đáy, Pagliara và Palermo (2015) [52] khi xem độ nhám đáy lòng dẫn đều có xét đường kính hạt ở tỷ lệ 50% hoặc các trường hợp mố nhám lớn đáy bằng hoặc đáy dốc đều cho tỷ lệ độ sâu liên hiệp trong nước nhảy khác nhau

- Ảnh hưởng của phân bố lưu tốc, như Sarma và Newnham (1975)[16] sử dụng hệ số sửa chữa động lượng α = 1,045 để tính toán độ sâu liên hiệp nước nhảy trên kênh chữ nhật và cho thấy hệ số của số Froude lớn hơn (có giá trị 10,4 thay cho

8 như trong công thức của Belanger, 1828)

- 40 -

- Độ dốc đáy lòng dẫn của kênh, các nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra sự thay đổi độ sâu liên hiệp nước nhảy theo độ dốc lòng dẫn đáy kênh cho cả kênh mặt cắt ngang chữ nhật và mặt cắt ngang hình thang, điều này thể hiện ở độ dốc âm hoặc dương đều cho các công thức tính giá trị tỷ lệ độ sâu liên hiệp nước nhảy khác nhau Đối với nước nhảy trên đáy dốc của kênh mặt cắt ngang chữ nhật có Mahmoud A.R Eltoukhy (2016) [44] đưa dốc đáy (S1/2) vào công thức tính độ sâu liên hiệp và các nghiên cứu khác, với mặt cắt ngang hình thang cân đã thể hiện ở các nghiên cứu của Samir K (2014) [70], Siad R (2018) [71] và các trường hợp độ dốc có kèm đáy nhám lớn hoặc các mố sau nước nhảy (nghiên cứu của Nasrin H và cộng sự, 2017[51])

- Đặc trưng hình học khác của kênh, đối với kênh hình thang cân thì độ sâu liên hiệp nước nhảy bị ảnh hưởng nhất định bởi hệ số mái dốc kênh (m) như nghiên cứu của Shahin S.A và cộng sự (2018) [72], ảnh hưởng bởi độ sâu phân giới (yc) như nghiên cứu A.N Rakhmanov (1930), sự nối tiếp các dạng mặt cắt khác nhau như nghiên cứu của Siad Rafik (2018)[71]

1.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến chiều dài nước nhảy

Qua phân tích các công thức tính chiều dài nước nhảy đã có của các tác giả, nhận thấy chiều dài nước nhảy phụ thuộc vào một số yếu tố sau:

+ Độ sâu trước nước nhảy (y1), biểu thị cho năng lượng và tốc độ dòng chảy phát sinh ra nước nhảy, có thể kể đến các nghiên cứu cho mặt cắt ngang chữ nhật của Chertoussov (1935) [16], Hager (1992)[30] …, công thức tính cho mặt cắt hình thang của Rajaratnam và Subramanya (1968) [56]

+ Độ sâu sau nước nhảy (y2), biểu thị cho sự ổn định năng lượng dòng chảy sau nước nhảy, đối với mặt cắt ngang chữ nhật có khá nhiều các công thức liên quan như Ludin (1927) [16], Safranez (1933-39) [16], Page (1935) [16], Mahmoud Ali R Eltoukhy (2016) [42], H V Hùng và L X Hiền (2017), về mặt cắt hình thang có nghiên cứu của Posey C J và Hsing P S (1938) [55], N Afzal (2002) [50]… các nghiên cứu này cho thấy chiều dài nước nhảy phụ thuộc chủ yếu vào y2

+ Chênh lệch mức nước trước và sau nước nhảy (y2 – y1), biểu thị cho chênh lệch dòng chảy trước và sau nước nhảy, các công thức nghiên cứu về chiều dài nước nảy phụ thuộc khác nhiều vào yêu tố này, như đối với mặt cắt ngang chữ nhật có Bakhmeteff, Matzke (1936) [16], Smetana(1935) [16], Wu (1949) [16], Triatmojo